ACELERADORES DE PARTICULAS Y SU APLICACIÓN PARA EL ANALISIS DE MATERIALES

Dr. EDUARDO ANDRADE IBARRA

INSTITUTO DE FISICA

UNAM

Antecedentes de Aceleradores de Particulas

Uno de los descubrimientos científicos más importantes para la humanidad fue el ocurrido en el año de 1896 cuando el físico francés Henri Becquerel descubrió el fenómeno conocido como radiactividad.

Ernest Rutherford y sus colaboradores Marsden y Geiger en el año de 1911 utilizaron una fuente radiactiva de partículas alfa como proyectiles para comprobar la teoría sobre la estructura de la materia propuesta por Thompson, también conocida como el modelo atómico del pastel.

En la siguiente figura, se muestra esquemáticamente el arreglo experimental usado en estos experimentos.

Está relacionada con el mundo de los electrones y tiene que ver con los fenómenos químicos. Las energías de excitación de los átomos están en el rango de eV y keV. Por ejemplo, la emisión de luz y rayos-X, electrones Augers, etc.

En ésta, los niveles de energías de los núcleos involucrados son de del orden de MeV. Por ejemplo, núcleos excitados decaen al estado base con la emisión de rayos gamma con energías de MeV.

Física atómica

Física nuclear

Descubrimientos que se realizaron con fuentes radioactivas

1)Determinación de radios nucleares

2)Primera reacción nuclear con intervención del hombre :14N(α,p)16O

3)Descubrimiento del neutrón (Chadwick 1932)

4)Primera fisión nuclear en 1938

Motivación para crear un Acelerador de partículas

El uso de las fuentes radiactivas es limitado, por lo que los científicos necesitaban disponer de instrumentos para generar proyectiles con los cuales el experimentador pudiera controlar:

1) El tipo de partícula (protones, deuterones,

alfas, etc.) 2) Su energía cinética ( E = ½ m v2 )3) Flujo de partículas (corriente eléctrica)

Diagrama esquemático de las componentes principales de un acelerador de partículas

Si se consulta en la enciclopedia británica sobre aceleradores de partículas, menciona que fueron creados para el estudio de los núcleos atómicos y que para la física nuclear este instrumento tiene una importancia similar al telescopio para los astrónomos y la del microscopio para los biólogos.

En la actualidad existen aceleradores para diferentes tipos de aplicaciones, tales como los aceleradores lineales usados en los hospitales de cancerología, implantadores de iones usados en la industria electrónica para la fabricación de chips y circuitos electrónicos; ciclotrones para la producción de radioisótopos, tomógrafos de emisión de positrones, así como aceleradores de ultra alta energía para investigación de partículas elementales, etc.

Fabricación de chips Tomógrafo de positrones

Diversos usos de aceleradores

A partir del año 1912 se inició una competencia entre científicos de muchas partes del mundo para construir el primer acelerador de partículas.

Los ingleses Cockcroft y Walton, 20 años después (1932) fueron quienes ganaron esta competencia al poner en operación el primer acelerador de iones positivos, con el que generaron un haz de protones de bajas energías (150 keV) y lo usaron para bombardear isótopos de litio 7Li.

El resultado de este bombardeo fue producir la primera transmutación nuclear hecha totalmente por el hombre.

Acelerador original de Cockcroft y Walton

La reacción nuclear observada en este experimento fue:

p + 7Li 4He + 4He + Qm

donde Qm es la energía debido a la diferencia de masa de las partículas antes y después de la colisión que origino la reacción nuclear (16 MeV en este caso).

Este experimento mostró que el sueño de los alquimistas de la Edad Media de convertir un elemento en otro, se había logrado con el uso de los aceleradores.

Átomos que no existen en la naturaleza son producidos con los aceleradores. Por ejemplo, los radioisótopos que tienen aplicaciones en medicina nuclear y también en la industria (11C, 13N, 15 O, 18F, 123I, 99Tc, etc)

Dr. Robert Van de Graaff

Generador de alto voltaje tipoVan de Graaff (1933)

Generador electrostático Van de Graaff

Acelerador Ciclotrón

Acelerador Tevatrón (CERN)

Detector (Calorímetro) en el CERN

Producción multiple de partículas en experimento delCERN

Acelerador Lineal

1) Bajas energías: E < 20 MeV2) Energías intermedias: 20 MeV < E < 100 MeV3) Energías medias altas: 100 MeV < E < 1000 MeV 4) Altas energías 1000 MeV < E

Los aceleradores de bajas energías se usaron intensivamente en física nuclear hasta los años de 1970 y se consideraban, a partir de esta fecha, como obsoletos para investigación.

CLASIFICACION DE ACELERADORES POR ENERGÍA E

NUEVOS USOS DE ACELERADORES DE BAJAS ENERGIAS

Técnicas analíticas de origen nuclear (TAON) para el análisis de materiales

Modificación de materiales por el bombardeo con

iones Aplicación en procesos industriales, tales como

procesos de vulcanización de hules, aisladores especiales en conductores eléctricos, esterilización de alimentos y materiales quirúrgicos, producción de radioisótopos, entre otros.

ACELERADORES DE PARTÍCULAS EN EL INSTITUTO DE FÍSICA UNAM

1. VAN DE GRAAFF ELECTRÓN DE 2 MV (Modelo HVECO AN2000), Instalado en 1952.

2. VAN DE GRAAFF DE 0.7 MV (Modelo HVECO AN700), Instalado en 1972.

3. VAN DE GRAAFF DE 5.5 MV (Modelo HVECO CN), Instalado en 1988.

4. TANDEM PELLETRON DE 3 MV (Model NEC 9SDH-2), Instalado en 1996

5. Acelerador para determinación de 14C (por instalarse en 2012)

Modelo del acelarador tipo tandentron de 1 MeVpara 14C por instalarse en 2012.

COMPONENTES DE UN ACELERADOR TIPO VAN DE GRAAFF

GENERADOR DEALTO VOLTAJE

FUENTE DE IONES TUBO ACELERADOR

Principios de operación del generador de voltaje tipo Van de Graaff

EL ACELERADOR VAN DE GRAAFF DE 5.5 MV

Banda, columna y tubo del acelerador

PRINCIPALES COMPONENTES DEL ACELERADOR VAN DE GRAAFF DE 5.5 MV

La fuente de iones del acelerador de 5.5 MV y diagrama de bloques

de fuentes de voltaje para su operación

RADIACIÓN IONIZANTE

Las radiaciones ionizantes poseen la energía suficiente para ionizar la materia, extrayendo los electrones de sus estados ligados al átomo. Pueden clasificarse como:

Radiación electromagnética: La cual se encuentra formada por fotones. Según su origen y su energía se clasifican en rayos X y rayos gamma.

Radiación corpuscular: Que incluye a las partículas alfa, beta, protones, neutrones y otras partículas que sólo se producen por los rayos cósmicos o en aceleradores de muy alta energía, como los piones o los muones.

RADIACIÓN IONIZANTE

Con carga eléctrica

α

β-

β+

p+

d+

Sin carga eléctrica

Rayos X

Rayos γ

Neutrones

Neutrinos

Espectrómetro de altura de pulsos de voltaje y módulos electrónicos asociados a un

detector de radiación ionizante

Las partículas cargadas interaccionan directamente con la corteza electrónica de los átomos debido a la fuerza electromagnética.

Los rayos gamma, por su parte, interactúan con los electrones de los átomos mediante tres mecanismos distintos que son la absorción fotoeléctrica, el efecto Compton y la producción de pares.

Los neutrones interaccionan con los núcleos de la materia mediante los siguientes efectos: Activación, Fisión y colisión inelástica

Detectores de barrera superficial

Fuente triple de alfas

Detector de barrera

superficial

Calibración en energía de un detector de barrera superficial

DETECTORES DE NEUTRONES

Ion Incidente

Iones Retrodis-persados

Rayos X

Átomo blanco

Fotones visiblesNeutrón y/o

Partículas con carga procedentes

de Reacciones Nucleares

Rayos g (captura de electrones)

Electrones Auger

Rayos g

Núcleo radiactivo

Efectos que se presentan al colisionar iones con átomos

1) RBS (Rutherford backscattering)

2) EBS (elastic backscattering)

3) NRA (nuclear reaction analysis)

4) PIXE (particle induced X- ray energy)

5) PIGE (particle induced gamma – ray energy)

6) ERDA (energy recoil data analysis)

7) FES (forward elastic scattering)

8) NAA (nuclear activation analysis)

9) AMS (accelerator mass spectrometry)

Técnicas de origen nuclear para el análisis de materiales (TAON)

1) Son técnicas multielementales, pues en una sola irradiación se pueden determinar diversos elementos.

2) Son técnicas no destructivas, por lo que los materiales irradiados se pueden usar en otras caracterizaciones.

3) Se pueden analizar películas delgadas depositadas sobre sustratos “gruesos”

4) Se puede determinar el perfil de los elementos en el material

5) Los tiempos de bombardeo de las muestras son cortos.

6) No requieren de materiales patrones.

VENTAJAS DEL USO DE LAS TAON

1) Se requiere del uso de un acelerador de partículas de bajas energías.

2) Su uso requiere de personal especializado para seleccionar la técnica apropiada para en el empleo del la TAON y además de un conocimiento del software para el análisis de los espectros.

3) Los espesores de las películas se obtienen en unidades de átomos/cm2

4) Las TAON no son sensibles a composición atómica. Solo son sensibles a concentraciones atómicas.

DESVENTAJAS DE LAS TAON

Ecuación básica de las TAON asociada con un acelerador

La ecuación básica utilizada para experimentos con aceleradores, es la siguiente:

H , , , , , , d

C E z m Z M N td

Esta ecuación también se llega a usar para definir el concepto de sección transversal y se puede medir experimentalmente si t, el espesor de la muestra, y N, la densidad de átomos en la muestra, son conocidos ya que las otras cantidades H, número de partículas detectadas, C, el número de partículas que inciden en el blanco o carga y , el ángulo sólido que abarca la apertura del detector, son parámetros que se pueden obtener experimentalmente.

d

d

Sección transversal de Rutherford

d

d

Z Z e

1 22 2

21

2

21

2

2

1

12 E sen

cos M

Msen

M

Msen

02

1

2

1

2

Ejemplos de secciones transversales de dispersión elástica

297132297132320024004051.8181810.1Selection1c2d/c2dd0144217444217425004007004.7058820.2Selection1c2p/c2pp0137716637716636001000805.8823520.023255Selection1sinp/sinpp1

EJEMPLOS DE SECCIONES NUCLEARES PRODUCIDAS POR ELBOMBARDEO CON UN HAZ DE DEUTERIO y 3He

Fenómenos físicos asociados con el uso de las TAON

1) La sección transversal de dispersión es proporcional a la probabilidad de que ocurra la colisión entre las partículas del haz y los núcleos del blanco 2) Cinemática de reacciones nucleares. Sirve para calcular la energía de las

partículas que se producen por las colisiones provocadas en el bombardeo.

3) Potencia de frenamiento. Este fenómeno se debe principalmente a la interacción de los iones incidentes con los electrones de las muestras bombardeadas.

4) Esparcimiento de la pérdida de energía. Este fenómeno se debe a la pérdida de energía debida a los múltiples encuentros individuales de los iones incidentes. Por este fenómeno se limita el uso de las TAON para obtener el perfil de concentraciones atómicas a profundidades de sólo algunas m.

),,,,( 21 ZZEd

d

Cinemática de Reacciones Nucleares

Una reacción nuclear: X(x, y)Y. Las partículas antes de la colisión son (x, X)

y después de la colisión son (y, Y).

2mcE

2x X y Y Y y X xQ m M m M c E E E E

122cos cosx y x x y x Y y x Y x Y

y

Y y

m m E m m E M m E M m M QE

M m

2yE a a b

cosx y x

Y y

m m Ea

M m

x Y x Y

Y y

E M m M Qb

M m

En el caso de colisiones elásticas la Q = 0 debido a que y mmm yx MMM YX

2

cos sen2 2 2y x Y x

x x Y

E M + M - M K

E M + M

POTENCIA DE FRENAMIENTO

I

ENZ

E

eZ

dx

dEX

x ln2 42

La pérdida de energía por unidad de longitud de los iones incidentes en un material, es descrita por una fuerza que puede compararse con una “fuerza de fricción” y es debida a la interacción de los iones incidentes con la nube de los electrones de la muestra.

dE

dx

Ecuación de Bohr

ESPARCIMIENTO DE LA PÉRDIDA DE ENERGÍA

E E E1 0

211 1( ) exp[ ( ) ]

22

E EG E

NtZeZ Xx

222 4

Esta teoría predice que la desviación estándar es proporcional a t

126_2406.txtSimulatedO NaMgAlSiCaTi

Channel36034032030028026024022020018016014012010080

Co

un

ts

750

700

650

600

550

500

450

400

350

300

250

200

150

100

50

0

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

Energy [keV]

De este espectro estimamos la concentración de Al y Ti, 29% y 11.5%, respectivamente.

127_2406.txtSimulatedO NaMgAlSiCaTi

Channel36034032030028026024022020018016014012010080

Co

un

ts

1,000

950

900

850

800

750

700

650

600

550

500

450

400

350

300

250

200

150

100

50

0

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

Energy [keV]

De este espectro estimamos la concentración de Al y Ti, 40% y 12%, respectivamente.

129_2406.txtSimulatedO NaMgAlSiCaTi

Channel36034032030028026024022020018016014012010080

Co

un

ts

1,250

1,200

1,150

1,100

1,050

1,000

950

900

850

800750

700

650

600

550

500

450

400

350

300

250

200

150

100

50

0

500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Energy [keV]

130_2406.txtSimulatedO NaMgAlSiCaTi

Channel36034032030028026024022020018016014012010080

Co

un

ts

900

850

800

750

700

650

600

550

500

450

400

350

300

250

200

150

100

50

0

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

Energy [keV]

ESPECTROS DE PELICULAS DE TixAly / VIDRIO BOMBARDEADAS CON UNHAZ DE 4He DE ENERGÍA DE 1.4 MeV

De este espectro estimamos para el Al y Ti, 60% y 10%, respectivamente.

De este espectro estimamos de Al y Ti, 80% y 6.9%, respectivamente

Software usado para análisis de espectros de energía en TAON

SIMNRA, WINDF, GUPIX

Parámetros usados en la operación del SIMNRA

Espectro de RBS de una zeolita bombardeada con 4He de 1.5 MeV

Espectro de RBS y Reacción de la misma zeolita bombardeada con 2H de 1.5 MeV

Combinación de RBS y NRA para el análisis de una zeolita

Análisis simultaneo de la región de RBS y RN de una película deSiNH/Si bombardeada con deuterio de 1.4 MeV

Análisis simultaneo de la región de RBS y RN de películas de Ti/TiN sobre sustrato de acero bombardeadas con deuterio de 1.4 MeV

Emisión de Rayos X Inducidos por Partículas (PIXE)

EMISIÓN DE RAYOS X

Muestra estándar para calibraciónZeolita irradiado con haz de protones de 2 MeV

Espectros típicos de PIXE

Emisión de rayos gamma por núcleos excitados debido al bombardeo con protones